(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電変換効率を維持しつつ、熱応力を抑制した熱電変換装置の提供。【解決手段】対向する熱交換基板１，２の間に並設される少なくとも一対の熱電変換用のＰ型半導体素子２０及びＮ型半導体素子１０と、一方の基板と素子との間と、他方の基板と素子との間とに介在し、Ｐ型及びＮ型素子を交互に直列接続する電極板３０，４０，５０と、一方から他方の基板まで電極板及びＰ型素子２０を介して貫通し、一方から他方の基板まで電極板及びＮ型素子１０を介して貫通する貫通孔１０ｂ，２０ｂと、貫通孔１０ｂ，２０ｂの内周面と絶縁されるとともに貫通孔１０ｂ，２０ｂに挿入されるボルト６０ａの棒部と、素子と、素子と対向する電極板とが圧着するように、貫通孔の両端を介して棒部材の両端と結合されるナット６０ｂと、素子と、素子と対向する電極板とが摺動可能に圧着するように、貫通孔の一端と圧着部材との間に介在するバネ７０と、を備えた熱電変換装置。【選択図】図３
2007073889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する熱交換基板の間に並設される少なくとも一対の熱電変換用のＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子と、
一方の前記熱交換基板と前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間と、他方の前記熱交換基板と前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間とに介在し、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子を交互に直列接続する電極板と、
前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記Ｐ型半導体素子を介して貫通し、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記Ｎ型半導体素子を介して貫通する貫通孔と、
前記貫通孔に挿入される棒部材と、
前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子と対向する前記電極板とが圧着するように、対向する前記熱交換基板の外側で前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、
前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子と対向する前記電極板とが摺動可能に圧着するように、少なくとも一方の前記熱交換基板の外側と前記圧着部材との間に介在する弾性部材と、
を備えたことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記電極板に対する前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の圧着面と、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子に対する前記電極板の圧着面とのうち、一方の前記圧着面は凸面であり、他方の前記圧着面は凹面である、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記貫通孔は、挿入された前記棒部材との間に隙間を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記電極板は、隣接する前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の間に、前記熱交換基板の膨張及び収縮を吸収するための撓み部を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記熱交換基板と前記電極板との間は、絶縁性潤滑材で絶縁されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と対向しない側の前記熱交換基板の面は、前記圧着部材が当該面から退避するための凹部を有する、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記弾性部材は、対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる一方の前記熱交換基板の外側と、前記圧着部材との間に介在する、ことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記貫通孔の内周面は、絶縁材で被覆されることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記棒部材は、絶縁材で被覆された部材、又は、絶縁材からなる部材の何れかであることを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載の熱電変換装置。
【請求項１０】
前記Ｐ型半導体素子は、
対向する前記熱交換基板のうち、高温側となる一方の前記熱交換基板の側の第１のＰ型半導体素子と、
対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる他方の前記熱交換基板の側の第２のＰ型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、
前記Ｎ型半導体素子は、
前記高温側となる一方の熱交換基板の側の第１のＮ型半導体素子と、
前記低温側となる他方の熱交換基板の側の第２のＮ型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、
前記第１のＰ型半導体素子及び前記第１のＮ型半導体素子の熱電変換効率は、前記高温側において前記低温側よりも高く、
前記第２のＰ型半導体素子及び前記第２のＮ型半導体素子の熱電変換効率は、前記低温側において前記高温側よりも高い、
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギー及び電気エネルギーを相互に変換する熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるペルチェ効果を利用して電気エネルギーを熱エネルギーに変換したり、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換したりする熱電変換素子が知られている。例えばゼーベック効果を利用する場合、異なる２種類の金属やＰ型半導体及びＮ型半導体等の熱電変換素子を熱的に並列に配置し、これらの素子を電気的に直列に接続し外部に負荷を接続して閉回路を構成することにより、この閉回路に電流が流れ、電力として取り出すことができる。このような構成によれば、例えば高温流体及び低温流体の温度差に基づいて熱電発電が可能となる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図８を参照しつつ、熱交換器に配設されて熱電発電装置となる熱電変換装置９００の構成例について説明する。同図は、熱電変換装置９００の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。この熱電変換装置９００は、主として、少なくとも一対のＮ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０と、これらを交互に直列接続する電極板９３０、９４０、９５０と、を備えて構成されるものである。このようなπ型構造を有する２つの半導体素子９１０、９２０及び３つの電極板９３０、９４０、９５０を単位ユニットとして、複数個の単位ユニットが直列接続されることにより、実際の熱電変換装置９００が構成される。以下、この単位ユニットの構成について更に詳しく述べる。
【０００４】
同図に例示されるように、前述した単位ユニットにおいて、Ｎ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０は、熱交換器における高温側の金属基板９１及び低温側の金属基板９２の間に並設されている。電極板９３０は低温側の金属基板９２とＮ型半導体素子９１０との間に介在し、電極板９４０は低温側の金属基板９２とＰ型半導体素子９２０との間に介在し、電極板９５０は高温側の金属基板９１と２つの半導体素子９１０、９２０との間に介在している。
【０００５】
また、同図に例示されるように、電極板９３０、９４０、９５０は、金属基板９１、９２に対して電気的絶縁性を有する接着剤９８０により固着されている。一方、この電極板９３０、９４０、９５０は、２つの半導体素子９１０、９２０に対して半田（又は銀ロウ）９９０によりろう接されている。尚、電極板９３０、９４０、９５０と、２つの半導体素子９１０、９２０とは、例えば溶射により融接されている場合もある。
【０００６】
以上の構成により、高温側の金属基板９１及び低温側の金属基板９２の温度差に基づいて、電流は、電極板９３０、Ｎ型半導体素子９１０、電極板９５０、Ｐ型半導体素子９２０、電極板９４０の順に流れる（図８の矢印）。尚、熱電冷却装置としての構成例についても上記と同様である。
【特許文献１】特開平１１−１７２３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前述した構成を備えた熱電変換装置９００には、対向する金属基板９１、９２の熱膨張及び熱収縮に伴う変形により熱応力が発生し易い。例えば、高温側の金属基板９１が熱膨張する際、銅板等からなる電極板９５０及び半田（又は銀ロウ）９９０も略同様に熱膨張する。一方、Ｎ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０は、金属よりも熱膨張係数が小さいことが多いため、電極板９５０及び半田（又は銀ロウ）９９０とは膨張率が異なる。このため、半導体素子９１０、９２０、電極板９５０、及び半田（又は銀ロウ）９９０には、図８におけるＸＹ面に沿って熱応力が作用する。このような熱応力が繰り返し作用した場合、電極板９５０及び半田（又は銀ロウ）９９０よりも機械的強度が弱いＮ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０に先ずクラックが発生し、このクラックが伸展して破断に至り、結果的に熱電変換装置９００の寿命が短くなる虞がある。このような問題は、低温側の金属基板９２が熱収縮した場合にも同様に発生する。但し、半田（又は銀ロウ）９９０は、Ｎ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０と、電極板９３０、９４０、９５０との間の電流の経路を確保し、熱電変換装置９００の起電力を保持する（即ち、熱電変換効率を維持する）ためには依然重要な役割を有する。
【０００８】
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱電変換装置の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するための発明は、対向する熱交換基板の間に並設される少なくとも一対の熱電変換用のＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子と、一方の前記熱交換基板と前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間と、他方の前記熱交換基板と前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間とに介在し、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子を交互に直列接続する電極板と、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記Ｐ型半導体素子を介して貫通し、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記Ｎ型半導体素子を介して貫通する貫通孔と、前記貫通孔に挿入される棒部材と、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子と対向する前記電極板とが圧着するように、対向する前記熱交換基板の外側で前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子と対向する前記電極板とが摺動可能に圧着するように、少なくとも一方の前記熱交換基板の外側と前記圧着部材との間に介在する弾性部材と、を備えてなる熱電変換装置である。
【００１０】
この熱電変換装置によれば、貫通孔及び棒部材により対向して保持される電極板とＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子とは、圧着部材により、この棒部材の方向に圧着される。この圧着がより強くなれば、例えば、低温側の電極板ＡからＮ型半導体素子へ流れる電流、Ｎ型半導体素子から高温側の電極板Ｂへ流れる電流、電極板ＢからＰ型半導体素子へ流れる電流、Ｐ型半導体素子から低温側の電極板Ｃへ流れる電流、はより大きくなる。これにより、対向する熱交換基板の間の温度差に応じて生じる電極板Ａ及びＣの間の起電力もより大きくなる。尚、このようなゼーベック効果のみならず、ペルチェ効果も含めて、本発明では熱電変換効率が向上すると言える。また、この熱電変換装置によれば、貫通孔及び棒部材により対向して保持される電極板とＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子とは、弾性部材により、この棒部材と交差する方向に摺動可能となる。
【００１１】
よって、もしこの弾性部材の弾性力がより大きくなれば、前述した圧着がより強くなることにより熱電変換効率がより大きくなる。一方、もしこの弾性部材の弾性力がより小さくなれば、前述した圧着がより弱くなることにより、電極板Ａ、Ｂ、Ｃと、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子との熱膨張差による熱応力が、電極板Ａ、Ｂ、Ｃと、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子との相互の摺動に吸収されてより小さくなる。
【００１２】
従って、弾性部材の弾性力を所定のレベルに設定することにより、前述した圧着及び摺動のバランスをとることができる。つまり、弾性部材の弾性力を、熱電変換装置の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制するように設定することができる。
【００１３】
また、かかる熱電変換装置において、前記電極板に対する前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の圧着面と、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子に対する前記電極板の圧着面とのうち、一方の前記圧着面は凸面であり、他方の前記圧着面は凹面である、ことが好ましい。  
この熱電変換装置によれば、凹面及び凸面は、例えば平坦な圧着面どうしに比べて接触面積が大きい。これにより、電極板とＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子との接触抵抗がより小さくなるため、熱電変換効率がより大きくなる。
【００１４】
また、かかる熱電変換装置において、前記貫通孔は、挿入された前記棒部材との間に隙間を有することが好ましい。  
この熱電変換装置によれば、電極板とＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能となるため、前述した熱応力がより抑制される。
【００１５】
また、かかる熱電変換装置において、前記電極板は、隣接する前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の間に、前記熱交換基板の膨張及び収縮を吸収するための撓み部を有することが好ましい。  
この熱電変換装置によれば、もし熱交換基板が電極板よりも熱膨張した場合、この撓み部が例えば熱交換基板の面に交差する方向に沿って縮むことにより、この熱膨張が電極板とＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる。或いは、熱交換基板が電極板よりも熱収縮した場合、この撓み部が例えば熱交換基板の面に交差する方向に沿って伸びることにより、この熱収縮が電極板とＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる。よって、この圧着面に作用し得る熱応力がより抑制される。
【００１６】
また、かかる熱電変換装置において、前記熱交換基板と前記電極板との間は、絶縁性潤滑材で絶縁されることが好ましい。  
この熱電変換装置によれば、電極板と熱交換基板との間の相互の変位がより円滑になるため、熱交換基板の熱膨張又は熱収縮が電極板とＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子との圧着面に影響を及ぼすことが防止される。よって、この圧着面に作用し得る熱応力がより抑制される。
【００１７】
また、かかる熱電変換装置において、前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と対向しない側の前記熱交換基板の面は、前記圧着部材が当該面から退避するための凹部を有する、ことが好ましい。  
この熱電変換装置によれば、熱交換基板を備える例えば熱交換器が嵩高いものとなることを防止できる。
【００１８】
また、かかる熱電変換装置において、前記弾性部材は、対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる一方の前記熱交換基板の外側と、前記圧着部材との間に介在する、ことが好ましい。  
この熱電変換装置によれば、弾性部材の高温劣化が防止される。また、弾性力の調整等の目的で弾性部材にアクセスし易くなる。
【００１９】
また、かかる熱電変換装置において、前記貫通孔の内周面は、絶縁材で被覆されることが好ましい。  
これにより、複数の電極板の間で、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子以外のものにより電気的に短絡する虞が無くなる。
【００２０】
また、かかる熱電変換装置において、前記棒部材は、絶縁材で被覆された部材、又は、絶縁材からなる部材の何れかであることが好ましい。  
これにより、複数の電極板の間で、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子以外のものにより電気的に短絡する虞が無くなる。
【００２１】
また、かかる熱電変換装置において、前記Ｐ型半導体素子は、対向する前記熱交換基板のうち、高温側となる一方の前記熱交換基板の側の第１のＰ型半導体素子と、対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる他方の前記熱交換基板の側の第２のＰ型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、前記Ｎ型半導体素子は、前記高温側となる一方の熱交換基板の側の第１のＮ型半導体素子と、前記低温側となる他方の熱交換基板の側の第２のＮ型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、前記第１のＰ型半導体素子及び前記第１のＮ型半導体素子の熱電変換効率は、前記高温側において前記低温側よりも高く、前記第２のＰ型半導体素子及び前記第２のＮ型半導体素子の熱電変換効率は、前記低温側において前記高温側よりも高い、ことが好ましい。  
これにより、熱電変換装置の熱電変換効率がより向上する。
【発明の効果】
【００２２】
熱電変換装置の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
＝＝＝熱電変換装置の構成＝＝＝
以下、図面を参照しつつ、本実施の形態の熱電変換装置１００’、１００”、１００の構成例について説明する。尚、各部材の番号に関して、同一の部材には同じ番号が付されている。
【００２４】
＜＜＜第１の実施の形態＞＞＞
図１に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１００’は、少なくとも一対の熱電変換用のＮ型半導体素子１０’及びＰ型半導体素子２０’と、電極板３０’、４０’、５０’と、貫通孔１ｂ’、２ｂ’、１０ｂ’、２０ｂ’と、ボルト・ナット（棒部材、圧着部材）６０と、バネ（弾性部材）７０と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図１は、本実施の形態の熱電変換装置１００’の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
【００２５】
本実施の形態のＮ型半導体素子１０’及びＰ型半導体素子２０’は、例えば直方体形状をなし、上下方向（Ｚ軸方向）に貫通孔１０ｂ’、２０ｂ’を有する半導体素子である。これらの半導体素子１０’、２０’は、本実施の形態の熱交換器の対向する高温側基板１’（熱交換基板、＋Ｚ側）及び低温側基板２’（熱交換基板、−Ｚ側）の間に並設され、本実施の形態の熱電変換装置１００’の単位ユニットを構成するものである。
【００２６】
本実施の形態の電極板３０’は、低温側基板２’とＮ型半導体素子１０’の下部との間に介在する銅板であるとともに、当該単位ユニットに隣接する単位ユニットの電極（当該単位ユニットの電極板４０’に対応する）をなす銅板でもある。本実施の形態の電極板４０’は、低温側基板２’とＰ型半導体素子２０’の下部との間に介在する銅板であるとともに、当該単位ユニットに隣接する単位ユニットの電極（当該単位ユニットの電極板３０’に対応する）をなす銅板でもある。本実施の形態の電極板５０’は、高温側基板１’とＮ型半導体素子１０’及びＰ型半導体素子２０’の上部との間に介在する銅板である。これらの電極板３０’、４０’、５０’は、Ｎ型半導体素子１０’及びＰ型半導体素子２０’を、Ｎ・Ｐ・Ｎ・Ｐ・・・等と交互に直列接続するためのものである。
【００２７】
また、本実施の形態の電極板３０’、４０’、５０’は、基板１’、２’の面に対して、窒化ホウ素（ＢＮ）粒子等の固体潤滑性物質（絶縁性潤滑材）８０’を介して電気的絶縁性を保持しつつ設けられている。尚、これに限定されるものではなく、電極板３０’、４０’、５０’と基板１’、２’の面との間には、一般に電気的絶縁体が介在していればよい。但し、潤滑性を有する物質を用いた方が、電極板３０’、４０’、５０’と基板１’、２’の面との間のＸＹ面に沿った相互の変位がより円滑になる。
【００２８】
更に、本実施の形態の電極板３０’、４０’、５０’は、前述した貫通孔１０ｂ’、２０ｂ’に対応する貫通孔（不図示）を上下方向に有する。
【００２９】
また更に、本実施の形態の電極板３０’、４０’、５０’と、Ｎ型半導体素子１０’及びＰ型半導体素子２０’の圧着面との間には半田や銀ろう等は介在せず、バネ７０の付勢により機械的に圧着されているものとする。
【００３０】
本実施の形態の貫通孔１ｂ’、１０ｂ’、２ｂ’は、電極板５０’及び電極板３０’の貫通孔（不図示）とともに、２つの基板１’、２’間を貫通する貫通孔を構成するものである。この構成は、貫通孔１ｂ’、２０ｂ’、２ｂ’についても同様である。
【００３１】
本実施の形態のボルト６０ａは、前述した貫通孔１ｂ’、２ｂ’、１０ｂ’、２０ｂ’ の内周面と電気的に絶縁されるとともに当該貫通孔１ｂ’、２ｂ’、１０ｂ’、２０ｂ’に挿入される棒部（棒部材）と、高温側基板１に対してその貫通孔１ｂ’の開口部に当接する頭部（圧着部材）と、を有する部材である。このボルト６０ａの棒部における頭部と反対側の先端部分には、本実施の形態のナット（圧着部材）６０ｂが噛合するためのネジ（不図示）が形成されている。この先端部分には、低温側基板２の外側（−Ｚ側）に設けられたバネ（弾性部材）７０を介して、ナット６０ｂが噛合している。このバネ７０が介在するボルト・ナット６０により、Ｎ型半導体素子１０’と、電極板３０’及び電極板５０’とは、その圧着面において圧着されるとともに、ＸＹ面に沿った相互の摺動が可能となる。同様に、Ｐ型半導体素子２０’と、電極板４０’及び電極板５０’とは、その圧着面において圧着されるとともに、ＸＹ面に沿った相互の摺動が可能となる。
【００３２】
尚、本実施の形態では、貫通孔１ｂ’、２ｂ’、１０ｂ’、２０ｂ’の径と、ボルト６０ａの棒部の径とは、当該貫通孔及び棒部の間に隙間が形成されるように設定されている。電極板３０’、４０’、５０’と半導体素子１０’、２０’とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能となる。
【００３３】
また、本実施の形態では、貫通孔１ｂ’、２ｂ’、１０ｂ’、２０ｂ’の内面と、ボルト６０ａの棒部とは相互に電気的絶縁性を有している必要がある上に、熱電変換装置１００’の熱電変換効率を向上させるべく、高温側基板１’及び低温側基板２’の間には熱伝導性の媒体をできるだけ介在させない方が良い。このため、例えば、ボルト６０ａの少なくとも棒部には、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性の低い材質を用いることが好ましい。このようなボルト・ナット６０として例えばポリイミド樹脂製のものが挙げられる。或いは、例えば、貫通孔１ｂ’、２ｂ’、１０ｂ’、２０ｂ’の内周面又はボルト６０ａの棒部が、電気的絶縁性を有するチューブ等で被覆されている場合には、この棒部は、熱伝導性が低ければ、たとえ電気伝導性が高い材質であってもよい。この場合、ボルト・ナット６０には例えばＳＵＳ等の金属製のものが使用できるため、前述したポリイミド樹脂製のものに比べて部材の調達が容易になる。
【００３４】
更に、本実施の形態では、ボルト６０ａは、高温側基板１’の外側（＋Ｚ側）から挿入され、ナット６０ｂは、低温側基板２’の外側（−Ｚ側）からこのボルト６０ａに対しバネ７０を介して噛合している。バネ７０は、高温劣化防止及び圧着の調整のために、低温側基板２’に設けられていることが好ましい。圧着の調整とは、ボルト６０ａに対するナット６０ｂの位置の設定を変えてバネ７０の弾性力を調整することを意味する。
【００３５】
＜＜＜第２の実施の形態＞＞＞
図２に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１００”は、少なくとも一対の熱電変換用のＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板３０”、４０”、５０”と、貫通孔１ｂ、２ｂ、１０ｂ、２０ｂと、ボルト・ナット６０と、バネ７０と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図２は、本実施の形態の熱電変換装置１００”の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
【００３６】
本実施の形態の熱電変換装置１００”は、前述した第１の実施の形態の熱電変換装置１００’の構成を含んでいる。そこで、以下、前述した第１の実施の形態の構成例に対して追加又は一部変更された構成例について説明する。
【００３７】
本実施の形態のＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０は、上面（＋Ｚ側）及び下面（−Ｚ側）のそれぞれに例えば球面状をなす凸面１０ａ、２０ａを有している。
【００３８】
本実施の形態の電極板３０”、４０”、５０”は、前述したＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０がその上下各面に有する凸面１０ａ、２０ａと対応する凹面３０ａ”、４０ａ”、５０ａ”を有する。本実施の形態では、これらの凸面１０ａ、２０ａと凹面３０ａ”、４０ａ”、５０ａ”との間には半田や銀ろう等は介在せず、バネ７０の付勢により機械的に圧着されているものとする。
【００３９】
本実施の形態のボルト６０ａの頭部は、高温側基板１に対してその貫通孔１ｂの開口部に係止されている。一方、バネ７０は、低温側基板２における拡径された貫通孔２ｂに収納されている。このバネ７０が介在するボルト・ナット６０により、Ｎ型半導体素子１０と、電極板３０”及び電極板５０”とは、その凹凸面（凹面及び凸面）１０ａ、３０ａ”、５０ａ”において圧着されるとともに、ＸＹ面に沿った相互の摺動が可能となる。同様に、Ｐ型半導体素子２０と、電極板４０”及び電極板５０”とは、その凹凸面２０ａ、４０ａ”、５０ａ”において圧着されるとともに、ＸＹ面に沿った相互の摺動が可能となる。
【００４０】
尚、本実施の形態では、熱交換器における高温側基板１の外側（＋Ｚ側）の面及び低温側基板２の外側（−Ｚ側）の面には、ボルト６０ａの頭部及びナット６０ｂをこれらの面から退避した状態にするための座ぐり（凹部）１ａ、２ａがそれぞれ形成されている。これにより、熱交換器が嵩高くなることが防止される。
【００４１】
＜＜＜第３の実施の形態＞＞＞
図３に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１００は、少なくとも一対の熱電変換用のＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板３０、４０、５０と、貫通孔１ｂ、２ｂ、１０ｂ、２０ｂと、ボルト・ナット６０と、バネ７０と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図３は、本実施の形態の熱電変換装置１００の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
【００４２】
本実施の形態の熱電変換装置１００は、前述した第２の実施の形態の熱電変換装置１００”の構成を含んでおり、この第２の実施の形態の構成例に対して相違する構成例として、以下の撓み部３０ｂ、４０ｂ、５０ｂを更に備えている。
【００４３】
本実施の形態の電極板３０、４０、５０は、前述したＮ・Ｐ・Ｎ・Ｐ・・・におけるＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の間に撓み部３０ｂ、４０ｂ、５０ｂを有する。この撓み部３０ｂ、４０ｂ、５０ｂは、基板１、２と電極板３０、４０、５０との熱膨張差を吸収するために、高温側基板１の外側（＋Ｚ側）から内側（−Ｚ側）又は低温側基板２の外側（−Ｚ側）から内側（＋Ｚ側）に向かって湾曲した形状をなすものである。
【００４４】
図４に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１００は、前述した単位ユニット１００ａ（図４（ｃ））が複数個（例えば１６個）組み合わせられて構成されたものである。尚、図４（ａ）は、第３の実施の形態の熱交換器の高温側基板１から見た電極板３０、４０の配置例を示す平面図であり、図４（ｂ）は、この熱交換器の高温側基板１から見た電極板５０の配置例を示す平面図であり、図４（ｃ）は、この熱電変換装置１００のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’に沿った断面図である。
【００４５】
同図の例示によれば、１６個の単位ユニット１００ａが直列に接続されており、これにより、Ｎ型半導体素子（例えばＮ型半導体素子１０）及びＰ型半導体素子（例えばＰ型半導体素子２０）がＮ・Ｐ・Ｎ・Ｐ・・・Ｎ・Ｐ（以上Ｎ・Ｐが１６組）のように交互に直列に接続されることになる。これにより、単位ユニット１００ａの起電力の合計が、発電装置としての熱電変換装置１００の起電力となる。
【００４６】
尚、本実施の形態の熱電変換装置１００は、１枚の高温側基板１と、１枚の低温側基板２との間に設けられているが、これに限定されるものではなく、これらの基板１、２は、単位ユニット１００ａ毎に分離されていてもよい。この分離された基板及び単位ユニット１００ａを新たな単位とすれば、本実施の形態の熱交換器の部分的な修理や変更等に柔軟に対応できるものとなる。また、以上の拡張は、前述した第１の実施の形態の熱電変換装置１００’及び第２の実施の形態の熱電変換装置１００”のそれぞれについても同様に実施できる。
【００４７】
＝＝＝熱電変換効率及び熱応力＝＝＝
前述した構成を備えた熱電変換装置１００’、１００”、１００によれば、貫通孔１ｂ’、１ｂ、２ｂ’、２ｂ、１０ｂ’、１０ｂ、２０ｂ’、２０ｂ及びボルト６０ａの棒部により対向して保持される電極板３０’、３０”、３０、４０’、４０”、４０、５０’、５０”、５０とＮ型半導体素子１０’、１０及びＰ型半導体素子２０’、２０とは、ボルト６０ａの頭部、ナット６０ｂ、及びバネ７０により、図１のＺ軸方向に圧着される。また、この熱電変換装置１００’、１００”、１００によれば、電極板３０’、３０”、３０、４０’、４０”、４０、５０’、５０”、５０とＮ型半導体素子１０’、１０及びＰ型半導体素子２０’、２０とは、バネ７０により、図１のＸＹ面に沿って摺動可能となる。
【００４８】
もしナット６０ｂがボルト６０ａに対してより締め込まれれば、バネ７０の弾性力がより大きくなって前述した圧着がより強くなることにより、接触抵抗がより小さくなり、電極板３０’、３０”、３０から、Ｎ型半導体素子１０’、１０、電極板５０’、５０”、５０、Ｐ型半導体素子２０’、２０、電極板４０’、４０”、４０へと流れる電流はより大きくなる。これにより、高温側基板１’、１及び低温側基板２’、２の間の温度差に応じて生じる起電力（熱電変換効率）もより大きくなる。
【００４９】
一方、もしナット６０ｂがボルト６０ａからより緩められれば、バネ７０の弾性がより小さくなって前述した圧着がより弱くなることにより、電極板３０’、３０”、３０、４０’、４０”、４０、５０’、５０”、５０と、Ｎ型半導体素子１０’、１０及びＰ型半導体素子２０’、２０との熱膨張差によるＸＹ面に沿った熱応力が、上記電極板と上記半導体素子とのＸＹ面に沿った相互の摺動に吸収されてより小さくなる。
【００５０】
以上を踏まえて、バネ７０を介したボルト・ナット６０の締め込みの度合いを所定のレベルに設定することにより、前述した圧着及び摺動のバランスをとることができる。つまり、バネ７０の弾性力を、熱電変換装置１００’、１００”、１００の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制するように設定することができる。
【００５１】
前述した第２、３の実施の形態では、電極板３０”、３０、４０”、４０、５０”、５０と、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体２０とは、その凹凸面１０ａ、２０ａ、３０ａ”、３０ａ、４０ａ”、４０ａ、５０ａ”、５０ａにおいて圧着されているため、例えば平坦な面どうしに比べて接触面積が大きい。これにより、上記電極板と上記半導体素子との接触抵抗がより小さくなって、熱電変換効率がより大きくなる。
【００５２】
尚、例えば第３の実施の形態の凹凸面１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａでは、Ｎ型半導体素子１０に凸面１０ａが形成され、電極板３０、４０に凹面３０ａ、４０ａが形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、Ｎ型半導体素子１０に凹面が形成され、電極板３０、４０には凸面が形成されてもよい。また、例えば第３の実施の形態の凹凸面１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａは球面状をなすものであったが（図５（ａ）参照）、これに限定されるものではない。ここで、図５は、本実施の形態の電極板３０、５０とＮ型半導体素子１０との圧着面の構成例を示す断面図である。図５（ｂ）に例示されるように、凹凸面１０ｃ、３０ｃ、５０ｃは円柱状又は多角柱状をなすものであってもよい。或いは、図５（ｃ）に例示されるように、凹凸面１０ｄ、３０ｄ、５０ｄは円錐状又は多角錐状をなすものであってもよい。要するに、電極板３０、４０、５０と半導体素子１０、２０との接触抵抗を小さくしつつ、相互に摺動可能な形状をなすものであれば、如何なるものでもよい。
【００５３】
また、前述した第１〜３の実施の形態では、貫通孔１ｂ’、１ｂ、２ｂ’、２ｂ、１０ｂ’、１０ｂ、２０ｂ’、２０ｂの径と、ボルト６０ａの棒部の径とは、当該貫通孔及び棒部の間に隙間が形成されるように設定されているため、電極板３０’、３０”、３０、４０’、４０”、４０、５０’、５０”、５０と半導体素子１０’、１０、２０’、２０とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能である（図１〜３参照）。よって、上記電極板と上記半導体素子との熱膨張差によるＸＹ面に沿った熱応力が、上記電極板と上記半導体素子とのＸＹ面に沿った相互の摺動に吸収されてより小さくなる。
【００５４】
更に、前述した第３の実施の形態では、電極板３０、４０、５０は、前述したＮ・Ｐ・Ｎ・Ｐ・・・におけるＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の間に撓み部３０ｂ、４０ｂ、５０ｂを有するため、例えば基板１、２が電極板３０、４０、５０よりも熱膨張した場合、この撓み部３０ｂ、４０ｂ、５０ｂがＺ軸方向に沿って縮むことにより、この熱膨張が電極板３０、４０、５０と半導体素子１０、２０との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる（図３参照）。或いは、例えば基板１、２が電極板３０、４０、５０よりも熱収縮した場合、この撓み部３０ｂ、４０ｂ、５０ｂがＺ軸方向に沿って伸びることにより、この熱収縮が電極板３０、４０、５０と半導体素子１０、２０との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる（図３参照）。尚、撓み部３０ｂ、４０ｂ、５０ｂの形状は、図３の例示に限定されるものではなく、要するに、基板１、２と電極板３０、４０、５０との熱膨張差を吸収するのに好適なものであれば、如何なる形状であってもよい。
【００５５】
また更に、前述した第１〜３の実施の形態では、電極板３０’、３０”、３０、４０’、４０”、４０、５０’、５０”、５０と、基板１’、１、２’、２の面とは、窒化ホウ素（ＢＮ）粒子等の固体潤滑性物質８０’、８０が塗布されている。これにより、上記電極板と上記基板の面との間のＸＹ面に沿った相互の変位がより円滑になるため、上記基板の熱膨張又は熱収縮が、上記電極板と半導体素子１０’、１０、２０’、２０との圧着面に影響を及ぼすことが防止される（図１〜３参照）。
【００５６】
以上から、本実施の形態の熱電変換装置１００’、１００”、１００は、熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制可能なものである。
【００５７】
図６に例示されるように、例えば第３の実施の形態のＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０は、例えば電極板１０ｍ、２０ｍを介して高温域仕様のＮｈ型半導体素子（第１のＮ型半導体素子）１０ｈｏｔ及びＰｈ型半導体素子（第１のＰ型半導体素子）２０ｈｏｔと、低温域仕様のＮｃ型半導体素子（第２のＮ型半導体素子）１０ｃｏｌｄ及びＰｃ型半導体素子（第２のＰ型半導体素子）２０ｃｏｌｄとがそれぞれ接合されたいわゆるカスケード型半導体素子１０ｃａｓ、２０ｃａｓであってもよい。Ｎｈ型半導体素子及びＰｈ型半導体素子とは、高温域において熱電変換効率が相対的に高いＮ型及びＰ型半導体素子をそれぞれ意味し、Ｎｃ型半導体素子及びＰｃ型半導体素子とは、低温域において熱電変換効率が相対的に高いＮ型及びＰ型半導体素子をそれぞれ意味するものとする。これにより、熱電変換効率がより向上する。尚、図６は、本実施の形態の電極１０ｍ、２０ｍ、３０、４０、５０及び半導体素子１０ｃａｓ、２０ｃａｓの構成例を示す断面図である。この場合も、例えばＮｈ型半導体素子１０ｈｏｔ、電極１０ｍ、及びＮｃ型半導体素子１０ｃｏｌｄは、ボルト・ナット６０及びバネ７０により摺動可能に圧着されているため、相互の熱膨張差による熱応力が抑制される。
【００５８】
＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されるとともに、本発明にはその等価物も含まれる。
【００５９】
例えば前述した第３の実施の形態の熱電変換装置１００は、平面形状をなし対向する基板１、２の間に設けられたものであるが、これに限定されるものではない。図７に例示されるように、熱電変換装置１１００は、例えば蒸気配管の外周面を高温側基板１００１とし、その更に外周面を低温側基板１００２とする同心円形をなすものであってもよい。図７（ａ）は、本実施の形態の蒸気配管の長手方向に沿って見た熱電変換装置１１００の部分断面図であり、図７（ｂ）は、長手方向に垂直な方向から見た熱電変換装置１１００の部分断面図であり、図７（ｃ）は、熱電変換装置１１００の部分斜視図である。
【００６０】
また、前述した第１〜３の実施の形態の熱電変換装置１００’、１００”、１００は、ゼーベック効果を利用した熱電発電装置であったが、これに限定されるものではなく、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装置であってもよい。この場合、熱電変換装置１００’、１００”、１００に電流を供給する所定の電源が別途必要となる。
【００６１】
更に、前述した第１〜３の実施の形態の熱電変換装置１００’、１００”、１００は、低温側基板２’、２にバネ７０を備えていたが、これに限定されるものではなく、例えば高温側基板１’、１及び低温側基板２’、２の両方に備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
【図２】第２の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
【図３】第３の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
【図４】（ａ）は、第３の実施の形態の熱交換器の高温側基板から見た電極板の配置例を示す平面図であり、（ｂ）は、第３の実施の形態の熱交換器の高温側基板から見た電極板の配置例を示すもう一つの平面図であり、（ｃ）は、第３の実施の形態の熱電変換装置のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’に沿った断面図である。
【図５】第３の実施の形態の電極板とＮ型半導体素子との圧着面の構成例を示す断面図である。
【図６】第３の実施の形態の半導体素子の他の構成例を示す断面図である。
【図７】（ａ）は、本実施の形態の蒸気配管の長手方向に沿って見た熱電変換装置の部分断面図であり、（ｂ）は、長手方向に垂直な方向から見た熱電変換装置の部分断面図であり、（ｃ）は、熱電変換装置の部分斜視図である。
【図８】熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１    高温側基板、１ａ  座ぐり、１ｂ  貫通孔、
２    低温側基板、２ａ  座ぐり、２ｂ  貫通孔、
１０  Ｎ型半導体素子、１０ａ、１０ｃ、１０ｄ  凸面、１０ｂ  貫通孔
２０  Ｐ型半導体素子、２０ａ  凸面、２０ｂ  貫通孔、
１０ｃａｓ、２０ｃａｓ  カスケード型半導体素子、
１０ｈｏｔ  Ｎｈ型半導体素子、１０ｃｏｌｄ  Ｎｃ型半導体素子、
２０ｈｏｔ  Ｐｈ型半導体素子、２０ｃｏｌｄ  Ｐｃ型半導体素子、
１０ｍ、２０ｍ、３０、４０、５０  電極板、
３０ａ、３０ｃ、３０ｄ、４０ａ、５０ａ、５０ｃ、５０ｄ  凹面、
３０ｂ、４０ｂ、５０ｂ  撓み部、
６０  ボルト・ナット、６０ａ  ボルト、６０ｂ  ナット、
７０  バネ、８０  固体潤滑性物質、
１００  熱電変換装置、１００ａ  単位ユニット、
９００  熱電変換装置、９９０  半田（又は銀ロウ）
【図１】
2007073889.tif 000003
【図２】
2007073889.tif 000004
【図３】
2007073889.tif 000005
【図４】
2007073889.tif 000006
【図５】
2007073889.tif 000007
【図６】
2007073889.tif 000008
【図７】
2007073889.tif 000009
【図８】
2007073889.tif 000010